چگونه می توانید یک تصفیه خانه بسازید؟ - جلسه پنجم
فرآیندهای غشایی و اسمز در تصفیه آب
نویسنده : شایان فروزنده دل
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
تاریخ : پنج شنبه 1396/11/05 ساعت 13:41
اهداف
· آشنایی با اصول فیلتراسیون غشایی
· آشنایی با اصول کاربردی اسمز
وسایل مورد نیاز
·آب
·نمک
·شیشه یو شکل
·فیلتر غشایی
مقدمه
تصفیه آب فرآیند حذف مواد شیمیایی نامطلوب، آلاینده های بیولوژیکی، مواد جامد معلق و گازها از آب است. هدف این است که آب مناسب برای یک هدف خاص تولید کند. قسمت عمده ی آب برای مصرف انسان (آب آشامیدنی) ضد عفونی می شود، اما تصفیه آب نیز ممکن است برای اهداف مختلف دیگری طراحی شده باشد، از قبیل الزامات کاربردی پزشکی، دارویی، شیمیایی و صنعتی. روش های مورد استفاده عبارتند از: فرایندهای فیزیکی مانند فیلتراسیون، رسوب گذاری و تقطیر؛ فرایندهای بیولوژیکی مانند فیلترهای شن و ماسه یا کربن فعال زیستی فرایندهای شیمیایی مانند انجماد و کلر و استفاده از تابش الکترومغناطیسی مانند نور ماوراء بنفش.
تصفیه آب ممکن است شامل حذف ذرات جامد از قبیل ذرات معلق، انگل ها، باکتری ها، جلبک ها، ویروس ها، قارچ ها و کاهش غلظت طیف وسیعی از مواد و ذرات محلول باشد.
استانداردهای کیفیت آب آشامیدنی معمولا توسط دولت ها یا استانداردهای بین المللی تعیین می شود. این استانداردها معمولا شامل حداقل و حداکثر غلظت آلاینده ها، بسته به هدف مورد نظر استفاده از آب است.
عدم دسترسی اغلب انسان ها در کشورهای در حال توسعه به آب تمیز و بهداشتی موتور اصلی توسعه ی فناوری‌های جدید در قرن حاضر بوده که توجه همگان را بیش از بیش به خود جلب کرده است. استفاده از فناوری‌های نوین به خصوص فناوری نانو جهت کاهش اثرات سوء آلودگی‌های زیست محیطی، از موضوعات مهم و مورد تحقیق است. فناوری نانو با راهکارهای جدید خود در نظر دارد مواد نانو می‌توانند به فناوری‌های تصفیه آب ارزان قیمت‌تر، بادوام‌تر و مؤثرتری منجر شوند و بخشی از نیازهای کشورها را برطرف سازند. دو فناوری مهم که توسعه فوق العاده ای داشته اند فرایند های غشایی و اسمز است. با استفاده از این دو فرایند تقریبا عمده ی مشکلات تصفیه آب در اغلب کشورها حل شده است و فناوری نانو به بهبود این فرایند های کمک شایانی کرده است. در این قسمت به توضیح خلاصه ای در مورد این فرایند می پردازیم و سپس آزمایشی ساده برای کاربرد این دو روش در تصفیه آب انجام می دهیم.
فرآیندهای غشایی
فرایند های غشایی در صنعت های بسیاری جایگاه خود را یافته اند. از دهه 1960 این علم از آزمایشگاه به صنعت و پس از آن به پزشکی راه یافت و با پیشرفت‌های روز افزون مواجه شد، به گونه‌ای که انتظار می‌رود در آینده ای نه چندان دور غشاها نقش مهمی را در علوم مختلف به ویژه علم تصفیه آب ایفا کنند.
غشا در اصل به چه معنایی است؟
غشاء به معنای پوسته است و در واقع می‌توان غشاء را یک شد در نظر گرفت که دارای نفوذپذیری با قدرت انتخابی است و مانند فیلتر عمل می‌کند.
جالب است بدایند که از فناوری‌های غشایی اولین بار برای فیلتراسیون آب آشامیدنی ارتش آلمان استفاده شد. تحقیقات برای استفاده‌ی گسترده از این فناوری توسط کشور های دیگر مورد حمایت قرار گرفت و نهایتاً توسط شرکت میلی پور، اولین و بزرگ‌ترین تولیدکننده میکروفیلتر، مورد بهره‌برداری قرار گرفت. در گذشته بیش‌ترین کاربرد میکروفیلتراسیون در صنایع نوشیدنی، استریلیزاسیون تجاری سرد برای مصارف دارویی و تأمین آب خالص در فرآیندهای نیمه‌رسانا بود. اما تا اوایل دهه 60 در صنعت جایگاه خاصی نیافت زیرا افراد درک درستی از آن نداشتند تا اینکه به تدریج با رفع برخی از معایب آنها نظیر قیمت بالا، فرآیندهای کند و زمان‌بر، غیر انتخابی بودن و... غشاها از آزمایشگاه به صنعت راه یافتند.
اساس فرآیندهای غشایی عبور مواد از میان صافی است، که این امر توسط یک نیروی رانشی صورت می‌گیرد. این رانش در فرآیندهای غشایی مختلف متفاوت است. در فرآیندهای غشایی میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس که مورد بحث در اینجا است، اختلاف فشار نیروی رانشی عبور سیال است.
نیروی رانشی در فرآیندهای غشایی به چهار دسته تقسیم می‌شود که شامل موارد زیر است:
• اختلاف فشار: در فرآیندهای غشایی میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس
• اختلاف پتانسیل الکتریکی : نظیر الکترودیالیز و الکترولیز غشایی
• اختلاف دما
• اختلاف غلظت
فیلتر چیست؟
فیلترها موادی هستند دارای خلل و فرج که در فرآیند جداسازی یا تغلیظ مورد استفاده قرار می‌گیرند. مهم‌ترین ویژگی فیلترها داشتن خلل و فرج‌هایی با اندازه و ابعاد مشخص است، به همین دلیل فیلتر را یک محیط متخلخل می‌نامند. سوراخ‌ها درصد بسیار زیادی از حجم فیلتر را در بر می‌گیرند و شبکه پیچیده‌ای از حفره‌ها را می‌سازند. فیلترها می‌توانند از جنس پلیمر و یا سرامیک باشند.
فیلتر کردن یعنی چه؟
فیلتر کردن یا فیلتراسیون فرآیندی است که در آن یک سیال (مایع و یا گاز) به دلیل اختلاف فشار یا اختلاف پتانسیل الکتریکی و یا اختلاف غلظت از فیلتر عبور می‌کند. با انجام عمل فیلتراسیون ذراتی که از اندازه حفره‌های فیلتر کوچک‌تر هستند از آن عبور کرده و ذرات بزرگ‌تر، از سیال جدا می‌شوند.
دو عامل در انتخاب نوع فیلتر و کارکرد آن مؤثر هستند که عبارتند از:
حفره‌های فیلتر
موادی با اندازه بزرگ‌تر از حفره‌های فیلتر در پشت آن باقی می‌مانند و عبور نمی‌کنند، در نتیجه برای جداسازی ذرات با اندازه مشخص باید از فیلترهای مناسب استفاده کرد.
انسداد حفرات
ذراتی که در پشت فیلتر باقی می‌مانند به مرور زمان و با استفاده مداوم از فیلتر بیشتر می‌شوند. این مسئله می‌تواند باعث مسدود شدن روزنه‌های فیلتر شود. با این دلیل باید بعد از مدت زمان مشخصی، فیلتر را تعویض و یا آن را پاکسازی نمود. این مسئله که به گرفتگی فیلتر معروف می‌باشد از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا تعویض و یا حتی تمیز کردن فیلتر هزینه‌بر است.
فیلتر کردن به روش غشایی
میکروفیلتراسیون، الترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس (هایپرفیلتراسیون) از انواع فیلتراسیون غشایی هستند. فنون فیلتراسیون پیشرفته می‌توانند ذرات را تا 1 آنگستروم جدا کنند. حدود 25 سال است که از تجاری شدن این محصولات می‌گذرد. انواع غشاهای پلیمری، لیفی و سرامیکی در فرآیندهای فیلتراسیون استفاده می‌شوند.
اسمز معکوس
اسمز معکوس فرآیند غشایی پر فشاری است که آب را به سمت یک غشای نازک می‌راند تا محتویات و مواد معدنی شامل نمک‌ها، ویروس‌ها، سموم و سایر ترکیبات آلوده غیرآلی را جدا کند و اتم‌ها و مولکول‌هایی در مقیاس کوچک‌تر از 1 نانومتر را در محدوده یونی جدا می‌کند. با اعمال فشاری بالاتر از فشار اسمز به محلول نمکی آب از غشا عبور می‌کند و یون‌ها پشت غشاء می‌مانند. پربازده‌ترین روش از نظر کیفی برای پاکسازی آب، اسمز معکوس است. فرآیند اسمز معکوس با اختلاف فشار بین 30 تا 60 بار صورت می‌گیرد. در فیلترهای مربوط به اسمز معکوس، ابعاد حفرات نزدیک به ا آنگستروم است و عبور محتویات از فضاهای بین مولکولی صورت می‌پذیرد.
اسمز معکوس فرآیندی است که در آن از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمه‌تراوا استفاده می‌شود. اگر یک غشای نیمه‌تراوا بین دو محلول آب خالص و آب ناخالص قرار گیرد آب به گونه‌ی طبیعی و تحت خاصیت اسمزی از غلظت پایین‌تر به غلظت بالاتر جریان می‌یابد. این پدیده تا هنگامی که پتانسیل‌های شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت. در حالت تعادل اختلاف فشار بین دو طرف غشا برابر اختلاف فشار اسمزی است. اگر فشاری برابر با اختلاف فشار اسمزی به محلول غلیظ‌تر اعمال گردد جریان آب قطع خواهد شد. در صورتیکه فشار اعمال شده بیشتر از فشار اسمزی باشد، جهت جریان طبیعی آب، معکوس خواهد گردید.
روش کار
1- 100 سی سی آب را با 200 گرم نمک مخلوط کنید.
2- دو عدد کاغذ صافی بر دارید بین آنها سه سانتی متر پنبه بگذارید سپس دور کاغذها را به هم بچسبانید.
3- اکنون یک شیشه یو شکل بردارید و فیلتر خود را مابین آن قرار دهید. در یک سمت 100 سی سی اب نمک و در سمت دیگر 100 سی سی آب معمولی بریزید اکنون کمی صبر کنید.
4- هر دو آب را بچشید با گذشت زمان چه اتفاقی برای آنها می افتد؟
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه کننده: شایان فروزنده دل - تنظیم: محبوبه همت
· آشنایی با اصول فیلتراسیون غشایی
· آشنایی با اصول کاربردی اسمز
وسایل مورد نیاز
·آب
·نمک
·شیشه یو شکل
·فیلتر غشایی
مقدمه
تصفیه آب فرآیند حذف مواد شیمیایی نامطلوب، آلاینده های بیولوژیکی، مواد جامد معلق و گازها از آب است. هدف این است که آب مناسب برای یک هدف خاص تولید کند. قسمت عمده ی آب برای مصرف انسان (آب آشامیدنی) ضد عفونی می شود، اما تصفیه آب نیز ممکن است برای اهداف مختلف دیگری طراحی شده باشد، از قبیل الزامات کاربردی پزشکی، دارویی، شیمیایی و صنعتی. روش های مورد استفاده عبارتند از: فرایندهای فیزیکی مانند فیلتراسیون، رسوب گذاری و تقطیر؛ فرایندهای بیولوژیکی مانند فیلترهای شن و ماسه یا کربن فعال زیستی فرایندهای شیمیایی مانند انجماد و کلر و استفاده از تابش الکترومغناطیسی مانند نور ماوراء بنفش.
تصفیه آب ممکن است شامل حذف ذرات جامد از قبیل ذرات معلق، انگل ها، باکتری ها، جلبک ها، ویروس ها، قارچ ها و کاهش غلظت طیف وسیعی از مواد و ذرات محلول باشد.
استانداردهای کیفیت آب آشامیدنی معمولا توسط دولت ها یا استانداردهای بین المللی تعیین می شود. این استانداردها معمولا شامل حداقل و حداکثر غلظت آلاینده ها، بسته به هدف مورد نظر استفاده از آب است.
عدم دسترسی اغلب انسان ها در کشورهای در حال توسعه به آب تمیز و بهداشتی موتور اصلی توسعه ی فناوری‌های جدید در قرن حاضر بوده که توجه همگان را بیش از بیش به خود جلب کرده است. استفاده از فناوری‌های نوین به خصوص فناوری نانو جهت کاهش اثرات سوء آلودگی‌های زیست محیطی، از موضوعات مهم و مورد تحقیق است. فناوری نانو با راهکارهای جدید خود در نظر دارد مواد نانو می‌توانند به فناوری‌های تصفیه آب ارزان قیمت‌تر، بادوام‌تر و مؤثرتری منجر شوند و بخشی از نیازهای کشورها را برطرف سازند. دو فناوری مهم که توسعه فوق العاده ای داشته اند فرایند های غشایی و اسمز است. با استفاده از این دو فرایند تقریبا عمده ی مشکلات تصفیه آب در اغلب کشورها حل شده است و فناوری نانو به بهبود این فرایند های کمک شایانی کرده است. در این قسمت به توضیح خلاصه ای در مورد این فرایند می پردازیم و سپس آزمایشی ساده برای کاربرد این دو روش در تصفیه آب انجام می دهیم.
فرایند های غشایی در صنعت های بسیاری جایگاه خود را یافته اند. از دهه 1960 این علم از آزمایشگاه به صنعت و پس از آن به پزشکی راه یافت و با پیشرفت‌های روز افزون مواجه شد، به گونه‌ای که انتظار می‌رود در آینده ای نه چندان دور غشاها نقش مهمی را در علوم مختلف به ویژه علم تصفیه آب ایفا کنند.
غشا در اصل به چه معنایی است؟
غشاء به معنای پوسته است و در واقع می‌توان غشاء را یک شد در نظر گرفت که دارای نفوذپذیری با قدرت انتخابی است و مانند فیلتر عمل می‌کند.
اساس فرآیندهای غشایی عبور مواد از میان صافی است، که این امر توسط یک نیروی رانشی صورت می‌گیرد. این رانش در فرآیندهای غشایی مختلف متفاوت است. در فرآیندهای غشایی میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس که مورد بحث در اینجا است، اختلاف فشار نیروی رانشی عبور سیال است.
نیروی رانشی در فرآیندهای غشایی به چهار دسته تقسیم می‌شود که شامل موارد زیر است:
• اختلاف فشار: در فرآیندهای غشایی میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس
• اختلاف پتانسیل الکتریکی : نظیر الکترودیالیز و الکترولیز غشایی
• اختلاف دما
• اختلاف غلظت
فیلتر چیست؟
فیلترها موادی هستند دارای خلل و فرج که در فرآیند جداسازی یا تغلیظ مورد استفاده قرار می‌گیرند. مهم‌ترین ویژگی فیلترها داشتن خلل و فرج‌هایی با اندازه و ابعاد مشخص است، به همین دلیل فیلتر را یک محیط متخلخل می‌نامند. سوراخ‌ها درصد بسیار زیادی از حجم فیلتر را در بر می‌گیرند و شبکه پیچیده‌ای از حفره‌ها را می‌سازند. فیلترها می‌توانند از جنس پلیمر و یا سرامیک باشند.
فیلتر کردن یعنی چه؟
فیلتر کردن یا فیلتراسیون فرآیندی است که در آن یک سیال (مایع و یا گاز) به دلیل اختلاف فشار یا اختلاف پتانسیل الکتریکی و یا اختلاف غلظت از فیلتر عبور می‌کند. با انجام عمل فیلتراسیون ذراتی که از اندازه حفره‌های فیلتر کوچک‌تر هستند از آن عبور کرده و ذرات بزرگ‌تر، از سیال جدا می‌شوند.
حفره‌های فیلتر
موادی با اندازه بزرگ‌تر از حفره‌های فیلتر در پشت آن باقی می‌مانند و عبور نمی‌کنند، در نتیجه برای جداسازی ذرات با اندازه مشخص باید از فیلترهای مناسب استفاده کرد.
انسداد حفرات
ذراتی که در پشت فیلتر باقی می‌مانند به مرور زمان و با استفاده مداوم از فیلتر بیشتر می‌شوند. این مسئله می‌تواند باعث مسدود شدن روزنه‌های فیلتر شود. با این دلیل باید بعد از مدت زمان مشخصی، فیلتر را تعویض و یا آن را پاکسازی نمود. این مسئله که به گرفتگی فیلتر معروف می‌باشد از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا تعویض و یا حتی تمیز کردن فیلتر هزینه‌بر است.
فیلتر کردن به روش غشایی
میکروفیلتراسیون، الترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس (هایپرفیلتراسیون) از انواع فیلتراسیون غشایی هستند. فنون فیلتراسیون پیشرفته می‌توانند ذرات را تا 1 آنگستروم جدا کنند. حدود 25 سال است که از تجاری شدن این محصولات می‌گذرد. انواع غشاهای پلیمری، لیفی و سرامیکی در فرآیندهای فیلتراسیون استفاده می‌شوند.
اسمز معکوس
اسمز معکوس فرآیند غشایی پر فشاری است که آب را به سمت یک غشای نازک می‌راند تا محتویات و مواد معدنی شامل نمک‌ها، ویروس‌ها، سموم و سایر ترکیبات آلوده غیرآلی را جدا کند و اتم‌ها و مولکول‌هایی در مقیاس کوچک‌تر از 1 نانومتر را در محدوده یونی جدا می‌کند. با اعمال فشاری بالاتر از فشار اسمز به محلول نمکی آب از غشا عبور می‌کند و یون‌ها پشت غشاء می‌مانند. پربازده‌ترین روش از نظر کیفی برای پاکسازی آب، اسمز معکوس است. فرآیند اسمز معکوس با اختلاف فشار بین 30 تا 60 بار صورت می‌گیرد. در فیلترهای مربوط به اسمز معکوس، ابعاد حفرات نزدیک به ا آنگستروم است و عبور محتویات از فضاهای بین مولکولی صورت می‌پذیرد.
روش کار
1- 100 سی سی آب را با 200 گرم نمک مخلوط کنید.
2- دو عدد کاغذ صافی بر دارید بین آنها سه سانتی متر پنبه بگذارید سپس دور کاغذها را به هم بچسبانید.
3- اکنون یک شیشه یو شکل بردارید و فیلتر خود را مابین آن قرار دهید. در یک سمت 100 سی سی اب نمک و در سمت دیگر 100 سی سی آب معمولی بریزید اکنون کمی صبر کنید.
4- هر دو آب را بچشید با گذشت زمان چه اتفاقی برای آنها می افتد؟
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه کننده: شایان فروزنده دل - تنظیم: محبوبه همت
